【文章內(nèi)容簡介】 注 金屬絲式片 金屬絲 ＜ 1000 ~ 小 簡易 使用方便、價廉，溫度系數(shù)和 K值一致性好，可用很 長的絲，疲勞壽命長，能承受較大變形，能用多種合金材料金屬 金屬箔片式 金屬箔 ＜ 2021 ~ 很小 簡易 形狀任意，能制于各種基片上，阻值一致性好， K值溫度系數(shù)好，橫向效應好 金屬絲式應變片有回線式和短接式兩種，圖 所示為回線式應變片。 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 11 頁 共 40 頁 圖 回線式應變片 它的敏感柵材料直徑在 ～ 之間，以 左右為最常用 ,回線的曲率半徑 r 為 ～ ，基片用厚度為 左右的 薄紙（稱紙基），或用粘結(jié)劑和有機樹脂基膜制成（稱膠基），粘貼性能好，能保證有效地傳遞變形。引線多用 ～ 直徑的鍍錫銅線與敏感柵相接。因制作簡單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，所以最為常用。但因彎曲部的變形使其橫向效應較大 [7]。 所有電阻片中，絲式片屬最基本的傳統(tǒng)結(jié)構，也是傳感器中常用的品種，其生產(chǎn)和使用歷史較長。絲材加工及處理技術比較成熟，靈敏系數(shù)比較一致，溫度系數(shù)可選擇適當?shù)暮辖鸪煞旨盁崽幚磉M行調(diào)節(jié)，因此可達到自補償。但直徑不能過細，否則會要限制使用電壓。 箔式片的絲柵尺寸小 ，形狀任意、柔軟、橫向效應小，容許電流大，疲勞壽命高，蠕變及滯后好，應用日益增多，早期獲得均勻的箔材比較困難，但目前已是應變式傳感器中使用的主要品種。箔式片所用箔材，一般厚為 3～ 5 微米，常用銅鎳合金（如康銅），但近年來隨著技術的發(fā)展，應變片用箔材也發(fā)展成為系列。制作方法除開光化學腐蝕外，也可采用精密沖壓法，沖壓法與腐蝕法比較，柵條無毛刺，性能比較一致。我國由于原材料（箔材性能尚不完全過關）和工藝（箔式片不易粘貼，焊點容易脫落等）關系，目前絲式片、尤其是高溫和低溫片，仍占主要地位 [8]。 （ 1）制造技術能保證 敏感柵尺寸準確、線條均勻，可以制成任意形狀以適應不同的測量要求； （ 2）敏感柵截面為矩形，其表面積對截面積之比遠較圓斷面的為大，故粘合中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 12 頁 共 40 頁 面積大； （ 3）敏感柵薄而寬，粘結(jié)情況好，傳遞試件應變性能好； （ 4）散熱性能好，允許通過較大的工作電流，從而增大輸出信號； （ 5）敏感柵彎頭橫向效應可以忽略； （ 6）蠕變、機械滯后較小，疲勞壽命高。 薄膜片是目前高精度傳感器中很有前途的新型電阻片（國外稱之為無蠕變工藝）。其原理，雖早在五十年代初就有人提出過，但遇到多方面的工藝困難，制成的薄膜穩(wěn)定性差無法實用 ，直到最近十余年才有所突破。目前，對于金屬薄膜片而言，比較成熟的方法有兩種：一是真空蒸發(fā)，二是濺射式陰極擴散。由于濺射的分子具有很大的能量，不能蒸發(fā)只凝結(jié)在表面，故附著力強，膜的性能好 [9]。為了沉積基底絕緣材料，進一步改善濺射過程，需采用高頻濺射系統(tǒng)，這種片的優(yōu)點是：阻值比箔式高，形狀和尺寸也比箔式片更小更精確，沒有箔式片腐蝕所引入的疵病；制成的結(jié)構導熱良好，對于較寬的工作溫度范圍也可達到較完善的補償。尤其突出的是：陶瓷絕緣代替了膠接，既避免了復雜的分選和粘貼技術，而且對膠所引入 的漂移、疲勞等弱點都有很 大的克服。制成的傳感器可以達到較高的水平。 半導體應變片的工作原理是基于半導體材料的電阻率隨作用應力而變化的所謂“壓阻效應”。所有材料在某種程度都呈現(xiàn)壓阻效應，但半導體的這種效應特別顯著，能直接反映出很微小的應變。常用的半導體應變片系用鍺和硅等半導體材料作為敏感柵，一般為單根狀，根據(jù)壓阻效應，半導體和金屬絲一樣可以把應變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。 電阻應變片的材料 制造應變片時，對敏感柵材料的要求：①靈敏系數(shù) sK 和電阻率 ? 要盡可能高而穩(wěn)定，電阻變化率 RR? 與機械應變 ? 之間 應具有良好而寬廣的線性關系，既要求 sK 在很大范圍內(nèi)為常數(shù)；②電阻溫度系數(shù)小，電阻 溫度間的線性關系和重復性好；③機械強度高，碾壓及焊接性能好，與其他金屬之間接觸熱電勢?。虎芸寡趸?、中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 13 頁 共 40 頁 耐腐蝕性能強，無明顯機械滯后 [10]。 此外，制作應變片敏感柵常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、 貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）材料等，材料性能見表 所示。 表 常用應變電阻絲材 康 銅 鎳鉻錳硅 鎳鉻 電阻率（ mmm2?? ） ~ ~ 1~ 電阻溫度系數(shù)（ C?1 ） ? 20? 166? ? 10? 106? ? 110? 106? 靈敏系數(shù) k 2? ~ ~ 與銅焊接性 好 較好 較好 抗拉強度（2mmkg） ~ 110~140 應變片基底材料有紙和聚合物兩大類，紙基逐漸被膠基（有機聚合物）取代，因為膠基各方面性能都好于紙基。膠基是由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚約 。 對基底材料性能有如下要求：①機械強度好，撓性好；②粘貼性能好；③電絕緣性能好；④熱穩(wěn)定性和抗?jié)裥院?；⑤無滯后和蠕變。 康銅絲敏感柵應變片，引線系采用直徑為 的銀銅絲，采用點焊焊接。其他類型敏感柵，多采用直徑與上述相對的鉻鎳、鐵鉻鋁金屬絲或偏帶作為引線。與敏感柵點焊相接。 金屬應變片的主要特性 材 料 性 能 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 14 頁 共 40 頁 靈敏系數(shù)是指應變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應力作用下，應變片的阻值相對變化與試件表面上安裝應變片區(qū)域的軸向 ?RRk ?? （ ) 應變片的電阻 R 的應變特性與金屬絲不同，因此必須用實驗方法對應變片的靈敏系數(shù) K 進行測定。測定時必須按規(guī)定的標 準，例如受軸向單向力（拉或壓），試件材料泊松系數(shù)為 ? = 的鋼等。一批產(chǎn)品中只能抽樣 5％的產(chǎn)品來測定，取平均值及允許公差值作為該批產(chǎn)品的靈敏系數(shù)，又稱“標稱靈敏系數(shù)”。實驗表明，電阻應變片的靈敏系數(shù) k 值恒小于電阻絲的靈敏系數(shù) 0k ，其原因除了粘結(jié)層傳遞變形失真外，還存在有橫向效應。 如圖 所示，當應變波為階躍波時，由于應變波通過敏感柵全部長度需要時間，所以應 變片所反映的波形經(jīng)過一定時間延時，才能達到最大值。 圖 應變片的橫向效應 粘貼在受單向拉伸力試件上的應變片，如圖 所示，其敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成。這時，各直線段上的金屬絲只感受沿軸向拉應變 x? ，電阻值將增加，但在圓弧段上，沿各微段軸向（即微段圓弧的切向）的應變卻并非是 x? ，因此與直線段上同樣長度的各段所產(chǎn)生的電阻變化就不相同，最明顯的是在 2??? 處中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 15 頁 共 40 頁 微圓弧段上，按 泊松系數(shù)的關系，在垂直方向上產(chǎn)生負的壓應變 y? ，因此該段的電阻是減小的。而在圓弧的其它各段上，其軸向感受的應變由 + x? 變化到 y? 。由此可見，將直的電阻絲繞成敏感柵之后，雖然長度相同，但應變狀態(tài)不同，其靈敏系數(shù)降低了。這種現(xiàn)象稱為橫向效應。應變片橫向效應表明，當實際使用應變片時，使用條件與標定靈敏系數(shù) k 時的標定規(guī)則不同時，例如， ? ≠ 或受非單向應力狀態(tài)、以及橫向效應的影響，實際 k 值要改變，由此可能產(chǎn)生較大測量誤差。當不能滿足測量精度要求時，應進行必要的修正。為了減少橫向效應產(chǎn)生的測量誤差，一般多采用箔式應變片，其圓弧部分尺寸較柵絲尺寸大得多，電阻值較小，因而電阻變化量也就小得多。 應變片安裝在試件上以后，在一定溫度下，其 ??? )( RR 的加載特性與卸載特性不重合， 圖 應變片的機械滯后 如圖 所示，在同一機械應變值 g? 下，其對應的 RR? 值不一致。加載特性曲線與卸載特性曲線的最大差值稱應變片的滯后。產(chǎn)生機械滯后的原因，主要是敏感柵、基底和粘合劑在承受機械應變后所留下的殘余變形所造成的，為了減小滯后，除選用合適的粘合劑外，最好在新安裝應變片后，做三次以上的加卸載循環(huán)后再正式測量。 粘貼在試件上的應變片，在溫度保持恒定、不承受機械應變時，其電阻值隨時間而變化的特性，稱為應變片的零漂。 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 16 頁 共 40 頁 如果在一 定溫度下，使其承受恒定的機械應變，其電阻值隨時間而變化的特性，稱為應變片的蠕變。一般蠕變的方向與原應變量變化的方向相反。這兩項指標都是用來衡量應變片特性對時間的穩(wěn)定性，在長時間測量中其意義更為突出。實際上，蠕變中即包含零漂，因為零漂是在不加載的情況，它是加載情況的特例。 應變片在制造過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應力、絲材、粘合劑、基底等的變化是造成應變片零漂和蠕變的因素。 （ 1）應變極限 應變片的應變極限是指在一定溫度下，應變片的指示應變 i? 對測試值的真 實應變 g? 的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為 10％）時的最大真實應變值 j? 。 圖 粘貼劑和基底材料 圖示 為提高 j? 值，應選用抗剪強度較高的粘結(jié)劑和基底材料，基底和粘結(jié)劑的厚度不宜太大，并經(jīng)適當?shù)墓袒幚怼? （ 2）疲勞壽命：疲勞壽命反映了應變片對動態(tài)應變測量的適應性，對于已安裝好的應變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù) N 稱為應 變片的疲勞壽命。當出現(xiàn)以下三種情況之一時，都認為是疲勞損壞：①應變片的敏感柵或引線發(fā)生斷路；②應變片輸出指示應變的幅值變化 10％；③應變片輸出信號波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。 最大工作電流是指允許通過應變片而不影響其工作的最大電流值。工作電流大，應變片輸出信號大，靈敏度高。但過大的工作電流會使應變片本身過熱，使靈中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 17 頁 共 40 頁 敏系數(shù)變化，零漂、蠕變增加，甚至把應變片燒毀。工作電流的選取，要根據(jù)散熱條件而定，主要取決于敏感柵的幾何形狀和尺寸、截面的形狀和大小、基底的尺寸和材料、粘合劑的材料和厚度以及試件的散熱性能 等。通常允許電流值在靜態(tài)測量時約取 25mA 左右，動態(tài)時可高一些，箔式應變片可取更大一些。對于導熱性能差的試件，例如塑料、陶瓷、玻璃等，工作電流要取小些。 R 應變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測得的電阻值，是使用應變片時需知道的一個特性參數(shù)。目前常用的電阻系列，習慣上為 60、 1 200、 350、500、 1000Ω，其中以 120Ω最常用。取電阻值大，可以加大應變片承受電壓，因此輸出信號大，但敏感柵尺寸也增大。 電阻應變片在測量變化頻率較高的動態(tài)應變時，應考慮其動 態(tài)響應特性。因為在動態(tài)測量時，應變是以應變波的形式在材料中傳播，它的傳播速度與聲波相同，對于鋼材 v≈ 5000m/S， 當應變按正弦規(guī)律變化時，應變片反映出來的是應變片敏感柵長度各相應點應變量的平均值，顯然不能以某一“點”的應變值來表示。設應變的變化為 ft??? 2sin0? ，應變在試件中軸向傳播，有 vtx? ， tv ?? ，所以txt ?? ，代入應變表達式，則應為 txf ???? 2sin0? 。圖 給出了應變波與應變片在波最大幅值的瞬時情況。 圖 應變波與應變片在波最大幅值的瞬時情況 應變波長為 ? ，應變片的基長為 I ，其兩端點的坐標為 )2()4(1 lx ?? ? ，中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 18 頁 共 40 頁 )2()(2 llx ?? ? ,此時應變片在基長 I 內(nèi)測得的平均應變 0? 達到最大值為 ???????????????? s i n)2c o s2( c o s22s i n012021021 ?????? ? xxxxx d xxxp （ ） 因而應變波幅測量的相對誤差 r 為 lr p ???? ????? ?? s in00 （ ） 由上式可見，測量誤差 r 與應變波長對基長的相對比值 I? 有關，一般可取 I?＝ 10～ 20，其誤差 r 小于 ～ ％，根據(jù)上式，可進行動態(tài)應變測量時的誤差計算或選擇應變片柵長以滿足某種頻率范圍內(nèi)的誤差要求。表 v＝ 5000m/s，取不同基長 I? ＝ 20 時，不同基長的應變片的最高工作頻率。 表 不同應變片基的最高工作頻率 應變片基長l(mm) 1 2 3 5 10 15 20 最高工作頻率f(kHz) 250 125 50 25 應變片的理論和實際輸出波形如圖 所示，如以輸出從 10％上升到 90％的這 段 時間 作為 上升 時間 kt ，則 kt = vI ， 可 測頻 率 f ＝ ，則lvlvf ?? 。 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 19 頁 共 40